新型煤質(zhì)熱值校正控制算法

郝 欣，邵 毅，李建軍，姚 遠(yuǎn)

(國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006)

近年來(lái)，隨著《東北電網(wǎng)發(fā)電廠并網(wǎng)運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則》和《東北區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理辦法實(shí)施細(xì)則》全面大力實(shí)施，并網(wǎng)機(jī)組投入自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)、一次調(diào)頻等輔助服務(wù)功能必須符合兩個(gè)細(xì)則的要求。同時(shí)，各大發(fā)電廠均面臨發(fā)電成本升高的壓力，發(fā)電企業(yè)不得不摻燒褐煤以降低燃料成本[1]，這直接導(dǎo)致燃料品質(zhì)大幅度波動(dòng)，而燃料品質(zhì)穩(wěn)定又是AGC達(dá)標(biāo)的重要前提條件。在以上兩個(gè)方面問(wèn)題的雙重壓力下，熱值(BTU)校正控制的問(wèn)題就凸顯出來(lái)，如何在燃料品質(zhì)不斷變化的條件下，還能保證火電機(jī)組自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)、一次調(diào)頻等功能達(dá)到電網(wǎng)要求，解決問(wèn)題的關(guān)鍵就是BTU校正控制系統(tǒng)能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

1 問(wèn)題的提出

火電機(jī)組燃煤鍋爐主汽壓力控制對(duì)象的特性表現(xiàn)為非線性、慢時(shí)變、大遲延、大慣性，所有CCS控制回路的前饋和反饋控制參數(shù)均以設(shè)計(jì)煤種為基準(zhǔn)進(jìn)行整定，當(dāng)燃料品質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，CCS的鍋爐主控輸出會(huì)偏離設(shè)計(jì)值，導(dǎo)致在負(fù)荷指令不變的情況下主汽壓力自發(fā)波動(dòng)，當(dāng)煤質(zhì)變好時(shí)，鍋爐主控的輸出值低于設(shè)計(jì)值；反之，當(dāng)煤質(zhì)變差時(shí)，鍋爐主控的輸出值高于設(shè)計(jì)值。在機(jī)組實(shí)際運(yùn)行中的表現(xiàn)為一組參數(shù)在一定時(shí)間內(nèi)，機(jī)組控制參數(shù)品質(zhì)指標(biāo)良好，煤質(zhì)變化后，同一負(fù)荷段內(nèi)，機(jī)組控制參數(shù)品質(zhì)指標(biāo)惡化，經(jīng)過(guò)熱工人員調(diào)整后好轉(zhuǎn)，但是當(dāng)煤質(zhì)再次變化后，機(jī)組控制參數(shù)品質(zhì)指標(biāo)就再次惡化，同樣的問(wèn)題反復(fù)出現(xiàn)，控制品質(zhì)指標(biāo)時(shí)好時(shí)壞，CCS和AGC控制系統(tǒng)無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。

燃料品質(zhì)發(fā)生大范圍變化時(shí)，對(duì)主汽壓力控制產(chǎn)生擾動(dòng)，影響AGC控制指標(biāo)，并且煤質(zhì)變化對(duì)于鍋爐主蒸汽壓力控制來(lái)講屬于內(nèi)擾，是直接進(jìn)入控制通道的擾動(dòng)，無(wú)法通過(guò)控制器的調(diào)節(jié)作用快速克服，必須引入外部補(bǔ)償機(jī)制進(jìn)行校正。常規(guī)BTU校正控制在實(shí)際應(yīng)用中存在很大的局限性，主要有以下幾點(diǎn)：①參數(shù)整定困難，調(diào)節(jié)器積分時(shí)間設(shè)定過(guò)長(zhǎng)；②BTU控制系統(tǒng)的輸出對(duì)鍋爐主控和燃料控制形成內(nèi)擾；③控制算法過(guò)于簡(jiǎn)單，計(jì)算結(jié)果不夠準(zhǔn)確，不能正確反映煤質(zhì)熱值變化。

2 計(jì)算方法

2.1 基本思想

采用以負(fù)荷—基準(zhǔn)煤量關(guān)系[2-4]為基礎(chǔ)的串級(jí)煤量熱值校正方案，鍋爐主控輸出值為鍋爐設(shè)計(jì)煤種的煤量值。煤質(zhì)熱值校正停止計(jì)算觸發(fā)條件包括：①鍋爐燃料主控切手動(dòng)；②熱工人員手動(dòng)解除煤質(zhì)校正調(diào)節(jié)器自動(dòng)。停止計(jì)算后，熱值校正調(diào)節(jié)器則處于跟蹤狀態(tài)，調(diào)節(jié)器輸出等于1。BTU控制功能投入后，當(dāng)鍋爐燃料主控切手動(dòng)時(shí)，BTU調(diào)節(jié)器停止計(jì)算，處于跟蹤狀態(tài)，跟蹤值等于BTU調(diào)節(jié)器當(dāng)前值，以保證BTU調(diào)節(jié)器下次開(kāi)始投入計(jì)算時(shí)實(shí)現(xiàn)無(wú)擾切換，不會(huì)對(duì)給煤量造成擾動(dòng)。

BTU控制算法的輸出不能對(duì)CCS控制系統(tǒng)產(chǎn)生任何擾動(dòng)，因此煤質(zhì)校正計(jì)算采用調(diào)節(jié)器連續(xù)實(shí)時(shí)計(jì)算，擇機(jī)斷續(xù)輸出的方式，即當(dāng)BTU計(jì)算值輸出期間，鍋爐燃料閉環(huán)輸出保持不變，鍋爐主控輸出值保持不變，鍋爐主控的主汽壓力校正調(diào)節(jié)器進(jìn)入跟蹤模式，跟蹤值等于燃料主控逆運(yùn)算的結(jié)果。

2.2 計(jì)算方法

當(dāng)鍋爐燃料熱值發(fā)生變化時(shí)，機(jī)組參數(shù)表現(xiàn)為負(fù)荷指令恒定，機(jī)組無(wú)明顯內(nèi)外擾動(dòng)的情況，主蒸汽壓力開(kāi)始偏離設(shè)定值，機(jī)組脫離穩(wěn)態(tài)，CCS鍋爐主控調(diào)節(jié)器開(kāi)始調(diào)節(jié)，主蒸汽壓力回歸到設(shè)定值，鍋爐燃料量值穩(wěn)定在一個(gè)新的指令上，機(jī)組重新進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。在這個(gè)過(guò)程中，BTU調(diào)節(jié)器入口值發(fā)生變化，調(diào)節(jié)器輸出值也發(fā)生變化，直到BTU調(diào)節(jié)器入口值重新歸為0，BTU調(diào)節(jié)器輸出指令停止變化。當(dāng)BTU計(jì)算輸出動(dòng)作判據(jù)的條件滿足時(shí)，BTU計(jì)算結(jié)果輸出。

算法中設(shè)計(jì)單獨(dú)的時(shí)間振蕩器計(jì)算出BTU輸出時(shí)間窗口，計(jì)算公式：

(1)

式中：T1為計(jì)算輸出時(shí)間，s；T為DCS計(jì)算周期，s。計(jì)算輸出值窗口期內(nèi)檢測(cè)機(jī)組當(dāng)前狀態(tài)是否滿足BTU輸出條件。當(dāng)鍋爐燃煤熱值高于設(shè)計(jì)煤種時(shí)，BTU調(diào)節(jié)器輸出值增加，校正后的煤量等于BTU輸出值與實(shí)際煤量的乘積，當(dāng)校正后的煤量等于當(dāng)前負(fù)荷設(shè)計(jì)煤種煤量時(shí)，則BTU調(diào)節(jié)器入口差值等于0，調(diào)節(jié)器保持當(dāng)前值不變。

根據(jù)燃料主控調(diào)節(jié)器的計(jì)算公式：

(2)

式中：μC為燃料主控回路輸出指令；Kp為燃料主控調(diào)節(jié)器增益；Ki為燃料主控調(diào)節(jié)器積分時(shí)間常數(shù)；eC為燃料主控偏差。其中eC的計(jì)算公式：

eC=μB-K×FC+σ

(3)

式中：FC為燃料實(shí)際測(cè)量值；μB為燃料需求指令；K為熱值校正系數(shù)；σ為變量吸收回路輸出值。當(dāng)BTU的輸出結(jié)果K(熱值校正系數(shù))發(fā)生變化時(shí)，燃料量偏差eC同時(shí)改變，燃料主控調(diào)節(jié)器輸出值μc(給煤機(jī)平均指令)必然會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而使鍋爐主蒸汽壓力偏離設(shè)定值，鍋爐主控輸出也會(huì)由于主蒸汽壓力的變化而變化，變化結(jié)果會(huì)擴(kuò)散到鍋爐的多個(gè)控制回路，對(duì)主汽蒸壓力形成了完全不必要的擾動(dòng)，影響機(jī)組AGC控制精度。為了克服這一缺點(diǎn)，新型控制算法采用“連續(xù)計(jì)算，斷續(xù)輸出”的控制思想，當(dāng)“BTU計(jì)算輸出動(dòng)作判據(jù)”成立時(shí)，BTU算法輸出熱值校正系數(shù)K，即K=KC，BTU控制器輸出值KC的計(jì)算公式：

(4)

式中：Ki為調(diào)節(jié)器積分時(shí)間常數(shù)；ek為計(jì)算偏差，其計(jì)算公式：

ek=f1(LDC)-KC×FC

(5)

式中：f1為鍋爐標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷—燃料量函數(shù)；LDC為實(shí)際負(fù)荷指令；FC為燃料實(shí)際測(cè)量值；KC為BTU控制器輸出值。當(dāng)計(jì)算輸出值窗口期內(nèi)檢測(cè)機(jī)組當(dāng)前狀態(tài)不滿足BTU輸出條件時(shí)，燃料主控輸出保持不變，燃料主控調(diào)節(jié)器輸入變量eC保持當(dāng)前值，變量吸收回路σ動(dòng)作，將燃料主控調(diào)節(jié)器入口由于BTU計(jì)算所形成多余的差值重新變?yōu)?，實(shí)現(xiàn)了燃料主控調(diào)節(jié)器輸入變量eC保持不變，即eC(t)=eC(t-1)。變量吸收回路σ計(jì)算的差分方程如計(jì)算式：

σ[n]=(K[n-1]×FC-σ[n-1])/k[n]

(6)

當(dāng)“BTU計(jì)算輸出動(dòng)作判據(jù)”成立后，燃料主控調(diào)節(jié)器重新投入計(jì)算時(shí)，燃料主控輸出的給煤機(jī)平均指令不會(huì)發(fā)生突變，對(duì)鍋爐不會(huì)造成任何擾動(dòng)。

BTU控制計(jì)算結(jié)果能正確反映煤質(zhì)變化情況的前提條件是機(jī)組處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況，即負(fù)荷指令無(wú)變化，鍋爐主蒸汽壓力波動(dòng)范圍小于±0.3 MPa。BTU滿足計(jì)算條件時(shí)連續(xù)計(jì)算煤質(zhì)校正系數(shù)，但并不將計(jì)算結(jié)果實(shí)時(shí)送到燃料主控回路，只有在輸出時(shí)間窗口到來(lái)時(shí)，才將BTU調(diào)節(jié)器的計(jì)算結(jié)果KC送到燃料主控回路參與燃料量的計(jì)算。

2.3 具體實(shí)現(xiàn)方案

根據(jù)2.2節(jié)中的BTU計(jì)算式(4)和式(5)提出具體實(shí)現(xiàn)方案，計(jì)算框圖如圖1所示。圖1中，煤質(zhì)校正系數(shù)BTU01即K，當(dāng)控制器輸出窗口沒(méi)有打開(kāi)時(shí)K保持不變，對(duì)燃料主控計(jì)算不會(huì)形成任何擾動(dòng)。其它計(jì)算公式在DCS系統(tǒng)中也很容易實(shí)現(xiàn)?？刂品桨钢饕ㄒ韵聝?nèi)容：

a. BTU控制輸出時(shí)間窗口的計(jì)算以及機(jī)組當(dāng)前狀態(tài)的判斷；

b. 優(yōu)化燃料主控回路，當(dāng)BTU控制輸出值變化時(shí)，燃料主控調(diào)節(jié)器進(jìn)入跟蹤模式，燃料主控輸出指令保持不變；

c. 設(shè)置變量吸收回路實(shí)現(xiàn)燃料主控回路入口設(shè)定值在調(diào)節(jié)器跟蹤模式時(shí)等于校正后燃料測(cè)量值，保證調(diào)節(jié)器由跟蹤模式進(jìn)入計(jì)算模式時(shí)輸出指令要平滑過(guò)渡，不能出現(xiàn)大幅度躍變；

d. 機(jī)組變負(fù)荷過(guò)程中，BTU控制回路停止計(jì)算。

圖1 BTU算法實(shí)現(xiàn)方案

3 實(shí)際應(yīng)用效果

某廠4號(hào)機(jī)組AGC投入后，起初1周內(nèi)AGC控制指標(biāo)基本正常，可以滿足電網(wǎng)的要求。1周后，AGC控制指標(biāo)惡化，被電網(wǎng)考核，通過(guò)調(diào)取機(jī)組歷史數(shù)據(jù)曲線和運(yùn)行員反映，基本可以判斷是煤質(zhì)發(fā)生了比較大的變化，控制邏輯中主汽壓力調(diào)節(jié)器的靜態(tài)輸出值比1周前的數(shù)值高了11.2%，也同樣印證了煤質(zhì)變差是導(dǎo)致AGC控制指標(biāo)惡化的根本原因。

3.1 負(fù)荷燃料關(guān)系模型

BTU控制的核心思想是定時(shí)修正標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷燃料函數(shù)關(guān)系模型，使機(jī)組當(dāng)前負(fù)荷值與燃料量實(shí)時(shí)保持正確比值，即當(dāng)燃料熱值發(fā)生變化，BTU控制回路輸出值對(duì)標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)進(jìn)行校正，保證當(dāng)前負(fù)荷燃料函數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)值基本相同，為鍋爐主控回路計(jì)算打下良好的基礎(chǔ)。鍋爐負(fù)荷燃料關(guān)系函數(shù)采用鍋爐廠家所提供的熱力計(jì)算結(jié)果匯總表中數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置，該函數(shù)是機(jī)組電負(fù)荷與燃料的標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系模型，是所有控制算法的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 負(fù)荷燃料關(guān)系函數(shù)

3.2 應(yīng)用效果

BTU控制投入后，燃料品質(zhì)波動(dòng)導(dǎo)致AGC控制指標(biāo)惡化的問(wèn)題得到了明顯緩解，AGC控制模式可以長(zhǎng)期穩(wěn)定投入，電網(wǎng)考核次數(shù)明顯下降，AGC調(diào)節(jié)速率長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定，不因燃料熱值波動(dòng)影響AGC調(diào)節(jié)速率，機(jī)組主要控制指標(biāo)在AGC運(yùn)行模式下保持穩(wěn)定，滿足規(guī)程要求。實(shí)際運(yùn)行曲線如圖2所示，機(jī)組AGC負(fù)荷指令310～366 MW，在機(jī)組升負(fù)荷過(guò)程中，主蒸汽壓力與負(fù)荷同步變化，主蒸汽溫度等參數(shù)波動(dòng)范圍在535～543℃之間，符合電力規(guī)程要求，機(jī)組負(fù)荷變化速率設(shè)定為9 MW/min，實(shí)際負(fù)荷變化速率達(dá)到6.5 MW/min，達(dá)到電網(wǎng)調(diào)度部門對(duì)AGC負(fù)荷變化速率不低于6 MW/min的要求。BTU控制有效地降低了鍋爐煤質(zhì)熱值波動(dòng)對(duì)AGC控制指標(biāo)的影響，即使在燃料熱值長(zhǎng)時(shí)間

變動(dòng)的情況下，AGC負(fù)荷變化速率依然可以滿足電網(wǎng)需求，4號(hào)機(jī)組AGC在電網(wǎng)調(diào)度的考核成績(jī)大幅度提高。

圖2 BTU投入后機(jī)組降負(fù)荷過(guò)程

4 結(jié)束語(yǔ)

電網(wǎng)對(duì)并網(wǎng)火電機(jī)組AGC控制指標(biāo)考核日趨嚴(yán)格，競(jìng)價(jià)上網(wǎng)要求電廠必須大力降低發(fā)電成本，燃料品質(zhì)和AGC控制指標(biāo)的矛盾日益突出。本文提出的新型BTU控制算法，有效地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)BTU控制的缺陷，抑制了燃料品質(zhì)對(duì)主蒸汽壓力控制通道的內(nèi)擾，并適用于各種類型機(jī)組，能夠在各種機(jī)組的DCS系統(tǒng)上實(shí)施，對(duì)系統(tǒng)硬件無(wú)特別要求。本文提出的控制算法已經(jīng)在多臺(tái)機(jī)組中得到應(yīng)用，對(duì)AGC控制指標(biāo)長(zhǎng)期穩(wěn)定滿足電網(wǎng)要求起到了積極促進(jìn)的作用，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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